KR20160073919A - 체류시간이 단축된 레이저 어닐링 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

극히 짧은 체류시간을 가진 레이저 어닐링 시스템 및 방법이 개시된다. 이 방법은 예열 라인 이미지로 반도체 웨이퍼를 국부적으로 예열하고 그 다음에 예열 라인 이미지에 대해 어닐링 이미지를 신속하게 주사하여 10 ns 내지 500 ns 범위의 체류시간을 가진 주사 중첩영역을 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 극히 짧은 체류시간은 소자 구조들이 리플로우하는 것을 방지하기 때문에 제품 웨이퍼의 표면 또는 표면하부 용융 어닐링을 수행하는데 유용하다.

Description

체류시간이 단축된 레이저 어닐링 시스템 및 방법{LASER ANNEALING SYSTEMS AND METHODS WITH ULTRA-SHORT DWELL TIMES}
관련 특허출원의 상호 참조
이 출원은 2014년 12월 17일자 출원된 미국 임시 특허출원 제62/092,925호의 우선권의 이익을 주장하며, 이 특허문헌은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로는 집적회로(IC) 및 메모리 장치를 조립하기 위해 제조하는 반도체에서 사용되는 어닐링에 관한 것이며, 더 구체적으로는 극히 짧은 체류시간(dwell times)을 가진 레이저 어닐링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
여기서 언급된 모든 간행물 또는 특허 문헌의 전체 개시내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함되며, 미국 특허 제8,309,474호; 제8,546,805호; 제8,865,603호 및 미국 특허출원 제14/497,006호를 포함한다.
기존 나노 초 펄스형-레이저 용융 어닐링("기존 용융 레이저 어닐링")은 극히 짧은 써멀 버짓(thermal budget)과, 높은 도펀트 활성화와, 최신 IC 칩 조립을 위해 이상적인 초계단 접합을 제공한다. 그러나 실제에서, IC 칩의 광학 특성과 열 특성의 공간적 변화로부터 발생할 수 있는 큰 온도 불균일로 인하여 패턴 형성된 반도체 웨이퍼 상에 이런 유형의 어닐링을 구현하는 것은 어려운 일이다. 당해 기술분야에서 이들 부작용을 "패턴밀도 효과"라고 한다.
미국 특허 제8,309,474호는 하이브리드 용융/비용융 장치를 사용하여 균일한 방식으로 기판을 준 용융 상태(near-melt condition)로 예열하기 위해 제1 주사 레이저 빔이 사용된다. 그 다음, 용융된 영역의 신속한 재결정화를 허용하는 짧은 시간 동안에 상기 용융된 영역을 용융 온도까지 상승시키기 위해, 광 펄스를 가진 광 빔을 방출하는 제2 레이저가 사용된다. 이 방법의 이점은 패턴 형성된 기판과 상호작용하는 상기 펄스형 레이저로부터의 온도 불균일이 현저히 완화되는 것이다. 그러나 이 방법은 펄스간 반복가능성 요구사항을 충족해야 하고 펄스형 레이저 이미지 균일 제약을 받으며, 또한, 100 마이크로 초 내지 20밀리 초 범위의 상대적으로 긴 체류시간을 가지며, 이것은 전술한 문제를 악화시킨다.
미국 특허 제8,865,603호는, 1 마이크로 초 내지 100 마이크로 초 범위의 체류시간으로 후면 레이저 처리를 수행하기 위해 주사 연속파(CW) 레이저 빔이 사용되는 어닐링 시스템을 설명한다. 이 방법의 이점은 상기 빔 안정성이 1%보다 훨씬 양호할 수 있다는 것이며, 반도체 웨이퍼에서 빔 균일은 가우시안 프로파일에 의해 정의되며, 잘 이해된다. 안타까운 것은, 이 방법의 파워 요구사항과 체류시간이 너무 길어서 상기 용융된 기판의 고속 재결정화를 허용하지 않는다는 것이다.
따라서, 10 ns 내지 500 ns 또는 25 ns 내지 250 ns 범위의 극히 짧은 체류시간을 가진, 반도체 웨이퍼를 어닐링하는 레이저 어닐링 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 레이저 어닐링 시스템은 2개의 레이저 빔, 즉 예열 레이저 빔과 주사 레이저 빔을 사용하며, 이것들은 중첩 영역을 형성하는 예열 라인 이미지와 어닐링 이미지를 각각 형성한다. 어닐링 이미지의 긴 치수(L2)는 예열 라인 이미지(pre-heat line image)의 짧은 치수(W1)의 방향으로 진행한다. 긴 치수(L2)를 짧은 치수(W1)보다 실질적으로 더 크게 만들면(예컨대, 2배 내지 4배 더 크게), 예열 라인 이미지와 어닐링 이미지를 정렬하는 것이 상대적으로 용이해진다. 예열 레이저 빔은 적외선 영역에서 동작하는 연속파(CW: continuous wave) 빔인 반면, 주사 레이저 빔은 CW 빔이거나 준-연속파(QCW: quasi-CW) 빔이다. 주사 레이저 빔은, 체류시간이 전술한 범위에 있도록, 예열 라인 이미지에 대해 그리고 반도체 웨이퍼의 표면에 대하여 충분히 빠르게 주사한다. 이러한 극히 짧은 체류시간은 소자 구조들이 리플로우(reflow)하는 것을 방지하기 때문에 제품 웨이퍼의 용융 어닐링을 수행하는데 유용하다. 일 실시예에서, 상기 주사 레이저 빔의 CW 및 QCW 성질은 어닐링을 수행하기 위해 하나 또는 수개의 광 펄스에만 의존하는 펄스-기반 레이저 어닐링 시스템들과 관련된 펄스간 균일 문제를 회피한다. 또한, QCW 레이저 빔의 실질적인 빔 성형이 필요하지 않기 때문에 스페클 부작용을 피할 수 있다.
본 발명의 일 측면은, 패턴 구비된 표면을 가진 반도체 웨이퍼를 웨이퍼 표면 또는 웨이퍼 표면하부 온도(TS)와 표면 또는 표면하부 용융 온도(TM)로 어닐링하는 방법이다. 이 방법은, 상기 패턴 구비된 표면의 일부를 (0.5)·TM ≤ TPA ≤ (0.9)·TM 범위의 예비-어닐링 온도(TPA)까지 가열하도록 구성되고 5 mm 내지 20 mm의 길이(L1)와 폭(W1)을 가진 예열 라인 이미지를, 예열 레이저 빔을 사용하여, 상기 패턴 구비된 표면 위에 형성하는 단계; 상기 예열 라인 이미지의 일부와 중첩하여 주사 중첩영역을 형성하고 100 마이크론 내지 500 마이크론 범위의 길이(L2)와 10 마이크론 내지 50 마이크론 범위의 폭(W2)을 갖는 어닐링 이미지를, 주사 레이저 빔을 사용하여 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위에 형성하는 단계; 및 상기 주사 중첩영역이 10 ns ≤ τD ≤ 500 ns 범위의 체류시간(τD)을 갖고 상기 웨이퍼 표면 또는 표면하부 온도(TS)를 예비-어닐링 온도(TPA)부터 상기 주사 중첩영역 내의 표면 또는 표면하부 용융 온도(TM)까지 국부적으로 상승시키도록, 상기 예열 라인 이미지에 대해 상기 어닐링 이미지를 주사하는 단계;를 포함하며, 상기 길이(L1, L2)는 직교 방향에서 측정되고, L2 ≥ 2·W1인 것을 특징으로 하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 체류시간(τD)이 25 ns ≤ τD ≤ 250 ns 범위인, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 광 펄스를 발생시키는 준-연속파(QCW) 방식으로 어닐링 레이저를 작동시켜 상기 주사 레이저 빔을 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 주사 중첩영역이 통과하는 상기 반도체 웨이퍼의 표면상의 각각의 점은 적어도 5개의 광 펄스를 수광하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 QCW 방식이 100 MHz 이상의 반복률(repetition rate)을 갖는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 주사 레이저 빔이 최초 레이저 빔을 어닐링 레이저로부터 회전식 다각형 거울로 향하게 하여 형성되는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 예열 레이저 빔이 적외선 파장을 갖고 상기 주사 레이저 빔이 가시 파장을 갖는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 가시 파장이 532 nm 이며 적외선 파이버 레이저를 주파수 배가함으로써 형성되는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 주사 중첩영역 내의 상기 반도체 웨이퍼 표면의 온도를 측정하고, 상기 측정된 반도체 웨이퍼 표면의 온도를 사용하여 상기 예열 레이저 빔 및 어닐링 레이저 빔의 적어도 하나의 광 파워의 양을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 반도체 웨이퍼 표면의 온도를 측정하는 상기 단계가 상기 주사 중첩영역으로부터의 방사율을 측정하는 단계를 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 반도체 웨이퍼가 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge)을 포함하며 실리콘(Si) 층 아래에 위치하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, a) 주사 광학시스템을 사용하여, 상기 예열 라인 이미지의 근위 단부의 시작 위치로부터 상기 예열 라인 이미지의 원위 단부의 종료 위치까지 어닐링 주사 방향으로 상기 어닐링 이미지를 주사하는 단계; b) 상기 어닐링 이미지가 상기 종료 위치에 도달할 때 상기 주사 레이저 빔을 오프시키는 단계; c) 상기 반도체 웨이퍼 표면상의 새로운 위치로 상기 예열 라인 이미지를 이동시키는 단계; 및 d) 상기 어닐링 이미지가 상기 시작 위치로 향하게 될 수 있을 때 상기 주사 레이저 빔을 다시 온시키는 단계;를 추가로 포함하고, 상기 반도체 웨이퍼의 사실상 전체 표면에 대해 상기 주사 중첩영역을 주사하기 위해 단계 a) 내지 단계 d)를 반복하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 단계 c)가, 상기 어닐링 주사 방향과 직교하는 예열 방향으로 상기 예열 라인 이미지를 연속해서 이동시키는 단계를 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 주사 레이저 빔을 오프시키는 상기 단계가 음향-광 조절기로 상기 주사 레이저 빔을 차단하는 단계를 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 예열 라인 이미지가 상기 반도체 웨이퍼의 표면 또는 표면하부를 (0.6)·TM ≤ TPA ≤ (0.8)·TM 범위의 예비-어닐링 온도(TPA)까지 가열하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 패턴 구비된 표면을 가진 반도체 웨이퍼를 웨이퍼 표면 또는 웨이퍼 표면하부 온도(TS)와 표면 또는 표면하부 용융 온도(TM)로 어닐링하는 시스템이다. 상기 시스템은, 상기 패턴 구비된 표면의 일부를 (0.5)·TM ≤ TPA ≤ (0.9)·TM 범위의 예비-어닐링 온도(TPA)까지 가열하도록 구성되고 5 mm 내지 20 mm의 길이(L1)를 가진 긴 방향과 폭(W1)을 가진 좁은 방향을 가지는 예열 라인 이미지를, 상기 패턴 구비된 표면 위에 형성하는 예열 레이저 빔을 형성하는 예열 레이저 시스템; 및 상기 예열 라인 이미지의 일부와 중첩하여 주사 중첩영역을 형성하고 100 마이크론 내지 500 마이크론 범위의 길이(L2)를 가진 긴 방향과 10 마이크론 내지 25 마이크론 범위의 폭(W2)을 가진 좁은 방향을 가지는 어닐링 이미지를, 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위에 형성하는 주사 레이저 빔을 형성하는 어닐링 레이저 시스템;을 포함하며, 상기 주사 레이저 시스템은, 상기 주사 중첩영역이 10 ns ≤ τD ≤ 500 ns 범위의 체류시간(τD)을 갖고 상기 웨이퍼 표면 또는 표면하부 온도(TS)를 예비-어닐링 온도(TPA)부터 상기 주사 중첩영역 내의 표면 또는 표면하부 용융 온도(TM)까지 국부적으로 상승시키도록, 상기 예열 라인 이미지에 대해 상기 어닐링 이미지를 주사하는 주사 광학시스템을 포함하고, 상기 길이(L1, L2)는 직교 방향에서 측정되고, L2 ≥ 2·W1인, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 체류시간(τD)은 25 ns ≤τD ≤ 250 ns 범위인, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 어닐링 레이저 시스템이, 상기 주사 레이저 빔이 광 펄스들을 포함하도록, 준-연속파(QCW) 방식으로 동작하는 어닐링 레이저를 포함하고, 상기 주사 중첩영역이 통과하는 상기 반도체 웨이퍼의 표면상의 각각의 점은 적어도 5개의 광 펄스를 수광하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 QCW 방식이 100 MHz 이상의 주파수를 갖는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 어닐링 레이저 시스템이 최초 레이저 빔을 발생시키는 어닐링 레이저를 포함하고, 상기 주사 광학시스템은, 상기 최초 레이저 빔을 수광하여 상기 주사 레이저 빔을 형성하는 회전식 다각형 거울을 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 어닐링 레이저 시스템이 조절기 구동기에 작동 가능하게 연결된 조절기를 포함하며, 상기 조절기는 상기 최초 레이저 빔 내에 정렬되어 상기 어닐링 이미지가 그 주사를 완료하는 경우 상기 최초 레이저 빔을 차단하고 상기 어닐링 이미지가 또 다른 주사를 시작하는 경우 상기 최초 레이저 빔을 계속 전달하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 어닐링 레이저가 주파수 배가 크리스탈을 가진 적외선-펌프식 파이버 레이저를 포함하고, 상기 주사 레이저 빔은 532 nm의 파장을 가진, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 예열 레이저 빔이 적외선 파장을 가진, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 주사 광학 영역으로부터 열 방출을 측정하는 열 방출 검출기 시스템을 추가로 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 반도체 웨이퍼가 척에 의해 지지되고, 상기 척이 그 다음 이동식 웨이퍼 스테이지에 의해 지지되며, 상기 어닐링 이미지는 어닐링 방향으로 주사되고, 상기 이동식 웨이퍼 스테이지는 상기 어닐링 방향과 직교하는 예열 주사 방향으로 상기 예열 라인 이미지를 주사하기 위해 이동하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템이다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 예열 라인 이미지가 상기 반도체 웨이퍼의 표면 또는 표면하부를 (0.6)·TM ≤ TPA ≤ (0.8)·TM 범위의 예비-어닐링 온도(TPA)까지 가열하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템이다.
본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로는 다음의 상세한 설명, 청구범위, 첨부된 도면을 포함하여 본 명세서에 설명된 바와 같은 발명을 실행하는 것에 의해 인식되거나 또는 설명으로부터 통상의 기술자에게 용이하게 인식될 것이다. 전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 단지 예시적인 것이고 청구범위의 성질과 특성을 이해하기 위한 개관 또는 골격을 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다.
전술한 일반적인 설명과 아래에서 제시된 상세한 설명은 주장하고자 하는 본 발명의 본질과 특성을 이해하기 위한 개관 또는 골격을 제공하는 것을 의도한다. 첨부 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성한다. 도면들은 본 발명의 다양한 실시예를 도시하며 상세한 설명과 함께 본 발명의 동작과 원리를 설명하는 역할을 한다. 아래 제시된 청구항들은 본 명세서의 일부를 구성하며 특히 아래 제시된 상세한 설명에 포함된다.
본 발명에 의하면 극히 짧은 체류시간을 가진 고효율의 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템 및 방법을 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적 초고속 레이저 어닐링 시스템의 도식적 다이어그램이고;
도 2a는 예시적 트랜지스터 반도체 구조를 보여주는 웨이퍼의 단면도로서, 소스 및 드레인 영역은 Si 또는 SiGe 도핑될 수 있고 표면용융처리에 의해 어닐링될 수 있으며;
도 2b는 예시적 트랜지스터 반도체 구조를 보여주는 웨이퍼의 단면도로서, 어닐링은 표면용융처리를 포함하며;
도 3은 웨이퍼의 표면에 형성된 어닐링 이미지 및 예열 라인 이미지의 확대 평면도로서, 상기 2개 이미지의 상대 치수 및 주사 방향과, 용융 어닐링 처리의 체류시간을 결정하는 주사 중첩 영역을 보여주며;
도 4는 다각형 주사 거울과 F-세타(theta) 주사 구성을 가진 어닐링 레이저 시스템의 실시예의 개략 측면도이며;
도 5는 도 3과 유사한 도면으로서, 어닐링 이미지의 주사 이동과 예열 라인 이미지에 대한 주사 중첩 영역을 도시하며,
도 6은 웨이퍼의 평면도로서, 예열 라인 이미지와 어닐링 이미지로 웨이퍼의 표면을 주사하는 예시적 방법을 도시한다.
이제 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 가능한 한, 동일한 또는 유사한 참조 번호와 기호가 동일하거나 유사한 부분을 나타내도록 도면 전체에서 사용된다. 도면에서 축척은 필수적인 것은 아니며, 당해 기술분야의 숙련된 기술자는 본 발명의 주요 측면을 도시하기 위해 도면의 어느 부분이 간략화되었는지 인식할 수 있을 것이다. 도면들 중 일부에서는, 기준을 위해 직각좌표계가 제시되어 있으며 이것은 방향 또는 방위를 한정하려는 의도는 아니다. 첨부된 청구항들은 본 명세서의 일부를 구성하고, 참조에 의해 상세한 설명에 포함된다.
이하에서, 용어 "웨이퍼"는 집적회로 소자의 조립에서 사용되는 "반도체 웨이퍼"의 약어이다. 전형적인 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이다.
본 발명의 측면들은 용융 어닐링을 수행하는 것을 지향하며, 이 경우에 웨이퍼의 표면이 국부적으로 용융하거나 웨이퍼의 표면하부가 국부적으로 용융한다. 웨이퍼의 표면이 더 낮은 용융 온도를 가진 재료(예컨대, 게르마늄 또는 게르마늄-실리콘)층 위에 놓이는 얇은 실리콘층에 의해 구성되는 일 실시예에서, 상기 웨이퍼의 표면은 여전히 딱딱하지만 표면하부의 재료는 용융될 수 있다. 즉, 여기서 설명된 용융 프로세스는 웨이퍼의 표면이 용융하는 경우나 웨이퍼의 표면은 여전히 단단하지만 웨이퍼의 표면하부의 작은 체적의 재료가 용융하는 경우에 적용할 수 있다. 후자의 용융 프로세스는 본 명세서에서 "표면하부(subsurface)" 용융 프로세스하고 지칭되며, 이 경우에 용융 온도(TM)는 표면하부 재료의 용융 온도를 지칭한다. 웨이퍼 표면 온도(TS)는 웨이퍼 표면하부의 온도에 실질적으로 대응하며(즉, 웨이퍼의 표면 온도보다 아주 약간 낮음) 따라서 이 온도 역시 표면하부 용융 프로세스에서 웨이퍼 표면하부 온도라고 한다.
QCW 레이저 어닐링 시스템
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 QCW 레이저 어닐링 시스템(이하, "시스템"이라 함.)의 개략도이다. 시스템(100)은 상부면(132)을 가진 척(130)을 작동 가능하 지지하는 웨이퍼 스테이지(120)를 포함한다. 웨이퍼 스테이지(120)는 스테이지 제어기(124)에 작동 가능하게 연결되며 스테이지 제어기(124)를 통해 X-Y 평면에서 그리고 옵션으로 Z-방향으로 이동하도록 구성된다. 척(130)의 상부면(132)은 바디(11), 표면(12), 및 표면하부(13)를 가진 웨이퍼(10)를 작동 가능하게 지지하며, 표면하부(13)는 표면(12) 바로 아래, 예를 들면 수십 마이크론 정도의 깊이에 위치한다(도 2a 및 도 2b 참조). 표면(12)은 IC 칩을 조립하는 다양한 스테이지들과 전형적으로 연관된 반도체 구조에 의해 정해진 패턴을 포함한다.
도 2a는 예시적인 트랜지스터 반도체 구조(14)를 보여주는 웨이퍼(10)의 단면도이다. 반도체 구조(14)는 소스 영역(16S), 드레인 영역(16D), 얇은 게이트-산화물층(17), 및 높은-K 금속 게이트 스택(18)을 포함한다. 높은-K 금속 게이트 스택(18)을 위한 예시적인 재료는 HfO이다. 소스 및 드레인 영역(16S, 16D)은 Si 또는 SiGe 도핑될 수 있으며, 여기서 개시된 표면 용융 프로세스를 사용하여 어닐링될 수 있다. 상기 높은-K 금속 게이트 스택(18)은 Si 또는 SiGe의 소스 및 드레인 영역(16S, 16D)의 용융 온도보다 더 높은 용융 온도를 가진다.
도 2b는 예시적인 트랜지스터 반도체 구조(14)를 보여주는 웨이퍼(10)의 단면도이며, 어닐링 프로세스는 표면 용융 프로세스를 포함한다. 트랜지스터 반도체 구조(14)는 발명의 명칭이 "Structures and methods of forming SiGe and SiGeC buried layer for SOI/SiGe technology"인 미국 특허 제8,138,579호에 기초한다. 트랜지스터 반도체 구조(14)는 매립된 산화물(BOX)층(22), Si 박막층(24), 옵션인 Si 박막 버퍼층(26), SiGE 또는 SiGeC 박막층(28), 제1 Si 에피택셜층(30), 제2 Si 에피택셜층(34) 및 분리구조물(36)을 포함한다.
웨이퍼(10)는 웨이퍼(10) 내에 형성된 다양한 반도체 구조(14)에 기초하여 웨이퍼(10) 상의 위치에 따라 변할 수 있는 용융 온도(TM)를 가진다. (순수한) 실리콘 웨이퍼(10)의 경우, TM = 1414℃이다. 도핑된 실리콘의 용융 온도(TM)는 순수-실리콘 용융 온도보다 약간 낮을 수 있다. 도 2b에 도시된 다른 예에서, 웨이퍼(10)는 실리콘과 게르마늄의 조합으로 만들어진 반도체 구조(14)를 포함한다. 게르마늄의 용융 온도(TM)는 938℃이다. 실리콘과 게르마늄 둘 다를 포함하는 반도체 피처(features)는 두 재료의 용융 온도의 가중된 평균인 용융 온도(TM)를 가진다. 웨이퍼(10)는 또한 웨이퍼 표면 온도(또는 웨이퍼 표면하부 온도)(TS)를 가지며, 이것은 전술한 바와 같이 표면하부 용융 프로세스를 위한 표면하부 온도를 지칭한다.
도 2b의 예시적인 반도체 구조(14)에서, SiGe 또는 SiGeC 박막층(28)은 그 내부의 도펀트를 활성화시키기 위해 어닐링이 필요한 도핑된 층일 수 있다. SiGe 또는 SiGeC 박막층(28)은 더 높은 용융 온도를 가진 제1 Si 에피택셜층(30) 아래에 있기 때문에, 도 2b의 반도체 구조(14)를 위한 어닐링 프로세스는 표면하부 용융 프로세스이다.
일 실시예에서, 척(130)은 웨이퍼(10)가 예열될 수 있도록 가열된다. 웨이퍼 스테이지(120)는 스테이지 제어기(124)에 작동 가능하게 연결된다.
시스템(100)은 또한 예열 레이저 빔(168)을 발생시키는 예열 레이저 시스템(150)을 포함한다. 예열 레이저 빔(168)은, 웨이퍼 표면 온도(또는 웨이퍼 표면하부 온도)(TS)를 용융 온도(TM)보다 낮은 예비-어닐링(pre-anneal) 온도(TPA)까지 상승시킴으로써, 웨이퍼(10)의 표면(12)을 예열하기 위해 사용된다.
예열 레이저 시스템(150)은 예열 레이저(160)와 라인-형성 광학시스템(166)을 포함한다. 예열 레이저(160)는 다이오드 레이저, 파이버 레이저(fiber laser) 또는 CO2 레이저, 예컨대 연속파(CW) p-편향된 10.6 마이크론 CO2 레이저를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 라인-형성 광학시스템(166)은 예열 레이저 빔(168)이 거의 수직 입사각으로 또는 비스듬한 큰 입사각으로 웨이퍼(10)의 표면(12)에 입사하도록 설정된다. 일 실시예에서, 예열 레이저 빔(168)의 입사각은, 불균일 광 흡수로 인한 패턴밀도 부작용이 감소되거나 최소화되도록, 웨이퍼(10)의 표면(12)에 대한 브루스터 각도와 실질적으로 같다.
라인-형성 광학시스템(166)은 예열 레이저(160)로부터 최초 레이저 빔(162)을 수광하고 그것으로부터, 도 3에 도시한 것과 같이, 웨이퍼(10)의 표면 상에 예열 라인 이미지(170)를 형성한다. 예열 라인 이미지(170)는 근위단부(172), 원위단부(174), 및 대향 측부(173)를 가진다. 예열 라인 이미지(170)는 근위단부(172)로부터 원위단부(174)까지 진행하고 길이(L1)를 가진 긴 방향을 가진다. 예열 라인 이미지(170)는 또한 폭(W1)을 가진 대향 측부(173)들 사이의 좁은 방향(치수)을 가진다. 일 실시예에서, 길이(L1)는 5mm 내지 20mm 범위이고, 전형적인 길이(L1)는 7mm 내지 12mm 범위이다. 또한, 일 실시예에서, 폭(W1)은 50㎛ 내지 200㎛ 범위이며, 전형적인 폭(W1)은 150㎛이다.
예열 라인 이미지(170)는, 화살표(AR1)로 표시된 것과 같이, y 방향으로 웨이퍼(10)의 표면(12)에 대하여 이동한다. 이 방향은 예열 주사방향으로 지칭된다. 예열 라인 이미지(170)와 관련된 웨이퍼(10)의 표면(12)의 부분은 웨이퍼(10)의 표면(12)의 국부적으로 예열된 부분을 나타내며, 웨이퍼 표면 온도(TS)는 예비-어닐링 온도(TPA)까지 상승된다.
일 실시예에서, 예열 레이저 빔(168)은 주사 방향에서(즉, y 방향에서) 가우시안 강도 프로파일을 가지며, 이것은 긴(횡주사) 방향(즉, x 방향)에서 상대적으로 상부가 평탄한(flat top) 프로파일을 가진다. 예열 레이저 빔(168)의 폭(W1)은 가우시안 프로파일의 1/e2 강도 값에서 또는 가우시안 프로파일의 반치전폭(FWHM: full-width half-maximum)에서 정의될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 시스템(100)은 또한, 도 3에 도시한 것과 같이, 웨이퍼(10)의 표면(12) 위에 어닐링 이미지를 형성하는 주사 레이저 빔(268)을 발생시키는 어닐링 레이저 시스템(250)을 포함한다. 어닐링 레이저 시스템(250)은 최초 레이저 빔(262)을 방출하는 어닐링 레이저(260)와, 변조기 드라이버(modulator driver)(264)에 작동 가능하게 연결된 변조기(263)와, 최초 레이저 빔(262)을 수광하여 주사 레이저 빔(268)을 발생시키는 주사 광학시스템(266)을 포함한다. 일 실시예에서, 변조기(263)는 최초 레이저 빔(262)을 선택적으로 및 교대로 차단 및 통과시켜 어닐링 이미지(270)의 주사를 제어하기 위해 사용되는 음향-광 변조기(acousto-optical modulator)이다.
라인-형성 광학시스템(166)과 주사 광학시스템(266)은 각각 렌즈, 거울, 애퍼처, 필터, 능동 광학소자(예컨대, 가변 감쇠기 등) 및 이것들의 조합을 포함한다. 일 실시예에서, 라인-형성 광학시스템(166)과 주사 광학시스템(266) 중 하나 또는 둘 다는 빔 조절(예들 들면, 그것들 각각의 최초 레이저 빔(162, 262)을 균일화하고 및/또는 선택된 단면 형상을 가진 최초 레이저 빔(162, 262)을 제공함)을 수행하도록 구성될 수 있다. 그와 같은 빔 조절을 수행하기 위해 적합한 예시적인 광학시스템(166, 266)은 미국 특허 제7,514,305호, 제7,494,942호, 제7,399,945호, 및 제6366308호에 개시되어 있다. 일 실시예에서, 어닐링 레이저(260)로부터의 최초 레이저 빔(262)은 높은 품질(예컨대, 실질적으로 가우시안 프로파일임)을 가지며 실질적인 빔 조절 없이(및 어떤 경우에는 빔 조절 전혀 없이) 사용된다.
도 4는 예시적 주사 광학시스템(266)의 개략적인 다이어그램이며, 시준 렌즈(261), 다각형 거울(267), 및 집속 렌즈(269)를 포함한다. 다각형 거울(267)은 거울 구동기(272)에 작동 가능하게 연결되어 회전 구동된다. 일 실시예에서, 다각형 거울(267)은 47개 측부를 가지고, 약 17,000의 분당 회전수(RPM)로 회전하며, 이것은 예열 라인 이미지(170)에 대한 어닐링 이미지(270)의 주사가, 아래에서 설명되는 바와 같이, 극히 짧은 체류시간을 생성하는 높은 속도이다. 일 실시예에서, 주사 광학시스템(266)은 F-쎄타 구성을 가진다.
일 실시예에서, 어닐링 레이저(260)는 IR 파장을 가시 파장으로(예컨대, 1.064㎛로부터 532nm로) 변환하는 주파수 변환소자(예컨대, 주파수 배가 크리스탈(frequency doubling crystal))를 이용하는 IR-다이오드-펌프식 IR 레이저이다. 일 실시예에서, 어닐링 레이저(260)로부터의 최초 레이저 빔(262)은 QCW 빔이며, 이것은 엄밀히 말하면, 레이저가 광 펄스를 방출하지만, 그 광 펄스가 서로 매우 가까워서 출력된 레이저 빔이 CW 빔과 매우 유사하게 행동한다.
일 실시예에서, 어닐링 레이저(260)는 어닐링 레이저(260)를 이 속도로 단순히 온 및 오프시킴으로써 높은 주파수(예컨대, 100 MHz 이상, 또는 150 MHz 이상)에서 QCW 방식으로 동작한다. QCW 방식은 CW 방식에 비해서 더 높은 피크 파워를 제공한다. 더 높은 피크 파워는 그 다음에, 공진 공동이 필요한 CW 방식에서 동작하는 것과 대조적으로, 어닐링 레이저(260)를 위한 싱글-패스배열(single-pass arrangement)을 사용하는 간단한 방식으로 제2 고조파를 발생시키는 것을 가능하게 한다. 일 실시예에서, 최초 레이저 빔(262)은 약 1.2의 M2 값을 가진 진정한 가우시안에 매우 가깝다. 어닐링 레이저(260)의 출력 파워는 약 500W이며, 주사 광학시스템(266)와 관련된 광 손실은 상대적으로 작기 때문에, 일 실시예에서 주사 광학시스템(266)은 약 500W의 광 출력을 가진다. 주사 레이저 빔(268)의 더 큰 출력은 여기서 개시되는 어닐링 방법에서 사용되는 극히 짧은 체류시간을 허용한다.
주사 레이저 빔(268) 및 그와 관련된 어닐링 이미지(270)는 예열 라인 이미지(170)(및 옵션으로 가열된 척(130))에 의해 획정된 웨이퍼(10) 표면(12)의 예열된 부분에 열을 부가하기 위해 사용되며, 웨이퍼 표면 온도(TS)는 예비-어닐링 온도(TPA)로부터 용융 온도(TM)까지 국부적으로 상승하여, 웨이퍼(10)의 표면(12) 또는 표면하부(13)를 국부적으로 용융시킨다.
어닐링 이미지(270)는 예열 라인 이미지(170)의 일부와 중첩하며, 중첩하는 영역은 본 명세서에서 "주사 중첩영역"(SOR: scanning overlap region)으로 지칭된다. 어닐링 이미지(270)는 길이(L2)를 가진 긴 치수와 폭(W2)을 가진 좁은 치수를 가진다. 어닐링 이미지(270)는 x 방향 및 y 방향에서 실질적인 가우시안 강도 분포를 가진다. 어닐링 이미지(270)의 긴 치수는 예열 라인 이미지(170)의 짧은 치수의 방향으로 방향 설정되어 있다. 일 실시예에서, 길이(L2)는 100㎛ 내지 500㎛ 범위이고, 폭(W2)은 10㎛ 내지 20㎛ 범위이며, 전형적인 폭은 15㎛ 내지 20㎛ 또는 더욱 전형적인 폭은 16㎛ 내지 18㎛이다. 어닐링 이미지(270)의 주사 방향(AR2)은 그것의 긴 방향에 수직(직교)인 방향이다. 주사 방향(AR2)은 "어닐링 주사 방향"으로 지칭되며 "예열 주사 방향(AR1)"에 직교한다. 어닐링 이미지(270)의 폭(W2)은 주사 방향(AR2)에서 주사 중첩영역(SOR)의 폭을 결정한다.
일 실시예에서, 길이(L2)는 어닐링 이미지(270)가, 도 3에 도시한 것과 같이, 예열 라인 이미지(170)의 대향 측부(173)를 넘어서 연장하도록 폭(W1)보다 실질적으로 더 크게 만들어진다(예컨대, 2배 내지 4배 더 크게). 이것은 예열 라인 이미지(17)와 어닐링 이미지(270)를 배열하여 주사 중첩영역(SOR)을 형성하는 것을 비교적 용이하게 만든다. 이 설정은 예열 라인 이미지(17)에 의해 제공된 웨이퍼(10) 표면의 국부적인 예열에 열을 추가하여 웨이퍼 표면 온도(TS)를 용융 온도(TM)까지 상승시키기 위해 어닐링 이미지(270)의 중앙의 높은 강도 부분을 이용한다.
예열 레이저 빔(168)과 주사 레이저 빔(268)은 각각의 파장(λ1, λ2)을 가지며, 두 파장들은 일 실시예에서 선택된 조건하에서 웨이퍼(10)를 가열할 수 있다. 일 실시예에서, 파장(λ1)은 10.64 마이크론이고 파장(λ2)은 532nm이다.
시스템(100)은 또한, 후술하는 바와 같이 웨이퍼(10) 표면(12)으로부터의 열 방출 방사선(182)의 양을 측정하도록 배열 구성되고 열 방출 전기신호(SE)를 발생시키는 열 방출 검출기 시스템(180)을 포함한다. 일 실시예에서, 열 방출 검출기 시스템(180)은 웨이퍼(10) 표면(12)으로부터 방사율(emissivity)(ε)을 측정하며 상기 열 방출 전기 신호(SE)는 측정된 방사율(ε)을 나타낸다. 일 실시예에서, 열 방출 검출기 시스템(180)은, 어닐링 이미지(270)와 이것에 의해 형성된 주사 중첩영역을 추적할 수 있도록, 주사 광학시스템(266)의 적어도 일부를 이용한다.
일 실시예에서, 열 방출 검출기 시스템(180)과 주사 광학시스템(266)은 중첩하는 각각의 광 경로(OPE, OPS)를 가진다. 이 설정은 어닐링 이미지(270)가 웨이퍼(10)의 표면(12)에 대해서 주사하는 동안에도 열 방출 검출기 시스템(180)이 주사 중첩영역(SOR)의 위치로부터 열 방출 방사선(182)을 수집하는 것을 가능하게 한다.
또 다른 실시예에서, 시스템(100)은, 주사 중첩영역(SOR)에서 웨이퍼(10) 표면(12)의 국부적인 웨이퍼 표면 온도(TS)를 측정하고 그 응답으로 온도 신호(ST)를 발생시키는 고온계(280)를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 시스템(100)은 웨이퍼(10)의 표면(12)으로부터 반사되는 주사 레이저 빔(268)의 일부를 나타내는 반사광(268R)을 수광하도록 배열된 검출기(290)를 포함한다. 일 실시예에서, 반사광(268R)의 양은 웨이퍼(10) 표면(12)의 주사 중첩영역(SOR)이 용융될 때 증가한다(도 3 참조). 검출기(290)는 검출한 반사광(268R)의 양을 나타내는 반사광 신호(SR)를 발생시킨다.
일 실시예에서, 시스템(100)은 제어기(300)를 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 제어기(300)는 컴퓨터, 예를 들면 개인용 컴퓨터(PC) 또는 워크스테이션을 포함한다. 제어기(300)는 바람직하게는 임의의 개수의 상용 마이크로프로세서, 상기 프로세서를 메모리 장치(예컨대, 하드 디스크 드라이브)에 연결하기에 적합한 버스 아키텍처, 적합한 입출력 장치들(예컨대, 각각 키보드 및 디스플레이)을 포함한다. 제어기(300)는, 웨이퍼(10)의 어닐링을 실시하기 위해 제어기(300)에 시스템(100)의 다양한 기능들을 수행시키는, 비일시적인 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체(예컨대, 메모리, 프로세서 또는 둘 다)에 내장된 명령(소프트웨어)을 통해, 프로그램될 수 있다.
제어기(300)는 예열 레이저 시스템(150)과 어닐링 레이저 시스템(250)에 작동 가능하게 연결되며 예열 레이저 시스템(150)과 어닐링 레이저 시스템(250)의 동작을 제어한다. 제어기(300)는 변조기(263)에 전기적으로 연결되며 제어신호(SM)로 변조기(263)를 제어한다. 일 실시예에서, 제어기(300)는 예열 레이저 시스템(150)과 어닐링 레이저 시스템(250) 내 주사 기능을 제어하기 위해 디지털 신호 처리기(DSP)를 포함한다. 제어기(300)는 또한 열 방출 검출기 시스템(180)과 주사 광학시스템(266)에 작동 가능하게 연결되며 열 방출 전기 신호(SE)를 수신하여 처리하도록 구성된다. 제어기(300)는 또한 고온계(280)에 작동 가능하게 연결되며 후술하는 바와 같이 온도신호(ST)를 수신하여 처리하도록 구성된다. 제어기(300)는 또한 검출기(290)에 작동 가능하게 연결되며 반사광 신호(SR)를 수신하여 처리하도록 구성된다.
시스템(100)의 동작의 일 실시예에서, 제어기(300)는 제1 제어신호(S1)를 예열 레이저(160)에 보내며, 예열 레이저(160)는 그 응답으로 최초 레이저 빔(162)을 발생시킨다. 최초 레이저 빔(162)은 라인-형성 광학시스템(166)에 의해 수광되며, 수광된 빔은 대체로 제1 광축(A1)을 따라서 진행하여 웨이퍼(10)의 표면(12)에서 예열 라인 이미지(170)를 형성한다.
제어기(300)는 또한 제2 제어신호(S2)를 어닐링 레이저(260)에 보내며, 어닐링 레이저(260)는 그 응답으로 최초 레이저 빔(262)을 발생시킨다. 최초 레이저 빔(262)은 주사 광학시스템(266)에 의해 수광되며, 수광된 빔은 제어신호(SS)에 의해 제어되어 주사 레이저 빔(268)을 형성하며, 이것은 그 다음에 웨이퍼(10)의 표면(12)에서 어닐링 이미지(270)를 형성한다.
제어기(300)는 또한, 웨이퍼 스테이지(120)의 제어된 움직임을 일으켜 예열 라인 이미지(170) 및 어닐링 이미지(270)에 대하여 웨이퍼(10)를 이동(주사)하기 위해 제3 제어신호(S3)를 스테이지 제어기(124)에 보낸다. 척(130)이 웨이퍼 예열을 제공하는 일 실시예에서, 제어기(300)는 또한 웨이퍼 예열 프로세스를 개시하기 위해 척 제어기(134)에 또 다른 제어신호(미도시)를 보낼 수 있다. 전형적인 척 예열 범위는 실온(25℃)부터 400℃까지이다.
일 실시예에서, 제어기(300)는 또한 고온계(280)로부터 온도신호(ST)를 수신하여 이 온도신호(ST)를 사용하여 예열 레이저 빔(168) 및 주사 레이저 빔(268) 중 하나 또는 둘 다의 강도를 제어한다.
도 5는 도 3과 유사한 확대도로, 어닐링 이미지(270)의 주사 이동과 예열 라인 이미지(170)에 대한 주사 중첩영역(SOR)을 도시한다. 어닐링 이미지(270)는 주사 프로세스 동안 다른 시간들에 대응하는 다양한 위치에서 도시되어 있다. 주사 광학시스템(266)은 예열 라인 이미지(170)의 근위단부(172)에 있는 시작위치(PS)로부터 예열 라인 이미지(170)의 원위단부(174)에 있는 종료위치(PF)까지 예열 라인 이미지(170)에 대하여 x 방향으로 어닐링 이미지(270)를 주사하거나 스위핑하도록 설정된다. 어닐링 이미지(270)의 주사 속도는 예열 라인 이미지(170)의 움직임에 비해 충분히 빠르므로 예열 라인 이미지(170)는 어닐링 이미지(270)의 주사 동안 실질적으로 움직이지 않는다.
일 실시예에서, 주사 중첩영역(SOR)의 체류시간(τD)은 10ns ≤τD≤ 500ns 범위에 있지만, 또 다른 실시예에서는 25 ns ≤τD≤ 250 ns 범위에 있다. 폭(W2)이 15㎛이고 체류시간이 25ns인 경우, 어닐링 이미지(270)의 주사속도와 그에 따른 와 주사 중첩영역(SOR)은 vs = W2/τD = 600 m/s 이다. 체류시간(τD)이 250 ns인 경우, 주사속도는 vs = 60 m/s 이다. 체류시간(τD)이 500 ns인 경우, 주사속도는 vs = 30 m/s 이다. 체류시간(τD)이 10 ns인 경우, 주사속도는 vs = 1500 m/s 이다. 이 주사속도들은 도 3에 도시된 것과 같은 주사 광학시스템(266)으로 달성될 수 있다.
일단 어닐링 이미지(270)가 예열 라인 이미지(170)의 원위단부(174)에 도달하면, 주사 레이저 빔(268) 및 대응하는 어닐링 이미지(270)는, 최초 레이저 빔(262)의 전송을 차단하도록, 변조기(263)를 작동시킴으로써 오프된다. 주사 레이저 빔(268)이 "오프"인 동안, 예열 라인 이미지(170)는, 웨이퍼(10) 표면(12)의 다음 부분이 주사될 수 있도록, y 방향으로 이동이 허용된다. 일 실시예에서, 예열 라인 이미지(170)의 움직임은, 예를 들어 웨이퍼 스테이지(120)를 연속해서 이동시킴으로써, 연속적일 수 있다. 일단 예열 라인 이미지(170)가 정해진 자리에 위치하면, 주사 레이저 빔(268)은 변조기(263)를 전송 모드에 둠으로써 다시 켜지며 그때 주사 광학시스템(266)은 주사 레이저 빔(268) 및 대응하는 어닐링 이미지(270)를 새롭게 위치된 예열 라인 이미지(170)의 시작 위치(PS)로 향하게 할 수 있다. 그 다음 상기 새롭게 위치된 예열 라인 이미지(170)에 대한 어닐링 이미지(270)의 주사가 수행된다. 도 6은 웨이퍼(10)의 평면도이며, 전술한 주사 방법을 반복함으로써 주사 중첩영역(SOR)을 갖고 웨이퍼(10)의 실질적으로 전체 표면(12)(예컨대, 적어도 패턴 형성된 부분들)을 주사하는 예시적인 방법을 도시한다.
전술한 것과 같이, 일 실시예에서, 어닐링 레이저(260)는 QCW 방식으로 동작된다. 어닐링 레이저를 위한 예시적인 동작 주파수는 f = 100 MHz 이상, 또는 f = 150 MHz 이상이다. 주파수 f = 150 MHz에 의해 어닐링 레이저(260)는 초당 150 x 106 개의 광 펄스를 발생시킨다. 주사 레이저 빔(268)의 주사 속도 vs = 150 m/s인 경우, 이것은 어닐링 이미지(270)가 진행하는 1 마이크론의 거리에 대해 거리당 펄스로(RP = f/vs = 1 펄스(p)) 변환된다, 즉 1 p/㎛. 체류시간(τD)은 어닐링 이미지(270)의 폭(W2)과 주사 중첩영역(SOR)이 웨이퍼(10)상의 주어진 점을 통과하는데 걸리는 시간의 양이다. 따라서, 폭(W2)이 15㎛이고 vs = 150 m/s로 웨이퍼(10) 표면(12)상의 주어진 점 위를 통과하는 어닐링 이미지(270)의 경우, 상기 점은 다수의 펄스(즉, Np = RP·W2 = (1 p/㎛)·(15 ㎛) = 15 펄스)를 거친다.
일 실시예에서, 주사 중첩영역(SOR)이 위에 주사되는 웨이퍼(10) 표면(12) 상의 각각의 점은 주사 레이저 빔(268)으로부터 적어도 5개의 광 펄스를, 바람직하게는 적어도 8개의 광 펄스를, 더욱 바람직하게는 적어도 10개의 광 펄스를 상기 체류시간(τD) 동안에 받는다. 상기 펄스들의 주파수는, 상기 펄스들에 의한 상기 주어진 점의 방사 동안 웨이퍼(10)의 표면(12)(또는 표면하부(13))와 관련된 주어진 점에서 재결정화가 일어나지 않도록, 충분히 빠르다(예컨대, 100 ns보다 빠름)
일 실시예에서, 상기 용융-어닐링 프로세스는, 예비-어닐링 온도(TPA)가 (0.5)·TM ≤ TPA ≤ (0.9)·TM 의 범위에 있도록, 시스템(100)에 의해 수행되지만, 또 다른 실시예에서는, 예비-어닐링 온도(TPA)는 (0.6)·TM ≤ TPA ≤ (0.8)·TM 의 범위에 있고, 또 다른 실시예에서는, 예비-어닐링 온도(TPA)는 (0.6)·TM ≤ TPA ≤ (0.7)·TM 의 범위에 있다. 전술한 것과 같이, 용융 온도(TM)는 응용에 따라서 표면 용융 온도와 표면하부 용융 온도 중 어느 하나를 지칭할 수 있다.
주사 프로세스 동안, 열 방출 검출기 시스템(180)은 주사 중첩영역(SOR)으로부터의 열 방출 방사선(182)을 모니터하기 위해 사용될 수 있다. 열 방출 검출기 시스템(180)은 검출된 열 방출을 나타내는 열 방출 전기신호(SE)를 발생시키고 이 열 방출 전기신호(SE)를 제어기(300)에 보낸다. 제어기(300)는 상기 열 방출 전기신호(SE)를 수신하고 이 열 방출 전기신호(SE)를 사용하여 피드백 루프(feed-back loop)를 생성하며, 상기 피드백 루프는, 웨이퍼 표면 온도(TS)가 거의 일정하게 유지되도록 예열 레이저 빔(168)과 주사 레이저 빔(268) 중 적어도 하나의 레이저 파워를 제어하기 위해, 예열 레이저 시스템(150)과 주사 레이저 시스템(250) 중 적어도 하나에 의해 발생되는 파워 양을 제어한다. 열 방출 방사선(182)의 검출은, 대응하는 열 방출 전기신호(SE)가 폐쇄 루프 제어를 위해 실질적으로 즉시 이용될 수 있도록, 고속 광검출기를 사용하여 달성될 수 있다.
웨이퍼(10) 표면(12)의 웨이퍼 표면 온도(TS)를 정확히 제어하기 위해, 상기 어닐링 방법이 수행되고 있을 때 웨이퍼 표면 온도(TS)를 정확히 측정할 수 있어야 한다. 방사율(ε)을 측정함으로써 웨이퍼 표면 온도(TS)를 측정하는, 본 발명에 적용 가능한 시스템 및 방법이 미국 특허공개 제2012/0100640호에 개시되어 있다. 방사율(ε)은 주사 중첩영역(SOR)이 웨이퍼(10)의 표면(12) 위를 주사할 때 점단위로 계산될 수 있다. 계산된 방사율(ε)은, 웨이퍼(10)의 표면(12)상에 있는 임의의 패턴으로 인한 방사율 변화에 민감하지 않은, 웨이퍼 표면 온도(TS)의 국부 측정을 얻기 위해 사용된다. 그 다음에 이것은 주사 레이저 빔(268)의 파워 양을 폐쇄 루프 제어하는 것을 허용한다. 반사광(268R)의 측정은 또한 예열 레이저 빔(168)과 주사 레이저 빔(268) 중 하나 또는 둘 다에서의 광 파워 양을 제어하기 위해 시스템(100)에 피드백을 제공하는 방법을 제공한다.
이상에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 다양한 수정과 변형이 첨부된 청구항들에 정의된 것과 같은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음은 당해 기술분야의 숙련자에게는 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항과 그 균등물의 범위 안에 있는 한 본 발명의 수정과 변형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (25)

  1. 패턴 구비된 표면을 가진 반도체 웨이퍼를 웨이퍼 표면 또는 웨이퍼 표면하부 온도(TS)와 표면 또는 표면하부 용융 온도(TM)로 어닐링하는 방법에 있어서,
    상기 패턴 구비된 표면의 일부를 (0.5)·TM ≤ TPA ≤ (0.9)·TM 범위의 예비-어닐링 온도(TPA)까지 가열하도록 구성되고 5 mm 내지 20 mm의 길이(L1)와 폭(W1)을 가진 예열 라인 이미지를, 예열 레이저 빔을 사용하여, 상기 패턴 구비된 표면 위에 형성하는 단계;
    상기 예열 라인 이미지의 일부와 중첩하여 주사 중첩영역을 형성하고 100 마이크론 내지 500 마이크론 범위의 길이(L2)와 10 마이크론 내지 50 마이크론 범위의 폭(W2)을 갖는 어닐링 이미지를, 주사 레이저 빔을 사용하여 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위에 형성하는 단계; 및
    상기 주사 중첩영역이 10 ns ≤ τD ≤ 500 ns 범위의 체류시간(τD)을 갖고 상기 웨이퍼 표면 또는 표면하부 온도(TS)를 예비-어닐링 온도(TPA)로부터 상기 주사 중첩영역 내에서 상기 표면 또는 표면하부 용융 온도(TM)까지 국부적으로 상승시키도록, 상기 예열 라인 이미지에 대해 상기 어닐링 이미지를 주사하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 반도체 웨이퍼의 표면 위에 형성하는 단계에서 L2 ≥ 2·W1이고,
    상기 길이(L1, L2)는 직교 방향에서 측정되는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 체류시간(τD)은 25 ns ≤ τD ≤ 250 ns 범위인, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  3. 제 1 항 에 있어서,
    광 펄스를 발생시키는 준-연속파(QCW) 방식으로 어닐링 레이저를 작동시켜 상기 주사 레이저 빔을 형성하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 주사 중첩영역이 통과하는 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위의 각각의 점은 적어도 5개의 광 펄스를 수광하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 QCW 방식은 100 MHz 이상의 반복률을 갖는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 주사 레이저 빔은 최초 레이저 빔을 어닐링 레이저로부터 회전식 다각형 거울로 향하게 하여 형성되는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 예열 레이저 빔은 적외선 파장을 갖고 상기 주사 레이저 빔은 가시 파장을 갖는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가시 파장은 532 nm 이며 적외선 파이버 레이저를 주파수 배가함으로써 형성되는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 주사 중첩영역 내에서 상기 반도체 웨이퍼 표면의 온도를 측정하고, 상기 측정된 반도체 웨이퍼 표면의 온도를 사용하여 상기 예열 레이저 빔 및 어닐링 레이저 빔 중 적어도 하나의 광 파워의 양을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    반도체 웨이퍼 표면의 온도를 측정하는 상기 단계는 상기 주사 중첩영역으로부터의 방사율을 측정하는 단계를 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼는 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge)을 포함하며 실리콘(Si) 층 아래에 위치하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    a) 주사 광학시스템을 사용하여, 상기 예열 라인 이미지의 근위 단부의 시작 위치로부터 상기 예열 라인 이미지의 원위 단부의 종료 위치까지 어닐링 주사 방향으로 상기 어닐링 이미지를 주사하는 단계;
    b) 상기 어닐링 이미지가 상기 종료 위치에 도달할 때 상기 주사 레이저 빔을 오프시키는 단계;
    c) 상기 반도체 웨이퍼 표면 위의 새로운 위치로 상기 예열 라인 이미지를 이동시키는 단계; 및
    d) 상기 어닐링 이미지가 상기 시작 위치로 향하게 될 수 있을 때 상기 주사 레이저 빔을 다시 온시키는 단계;
    를 추가로 포함하고,
    상기 반도체 웨이퍼의 사실상 전체 표면에 대해 상기 주사 중첩영역을 주사하기 위해 a) 단계 내지 d) 단계를 반복하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    단계 c)는 상기 어닐링 주사 방향과 직교하는 예열 주사 방향으로 상기 예열 라인 이미지를 연속해서 이동시키는 단계를 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    주사 레이저 빔을 오프시키는 상기 단계는 음향-광 변조기로 상기 주사 레이저 빔을 차단하는 단계를 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 예열 라인 이미지는 상기 반도체 웨이퍼의 표면 또는 표면하부를 (0.6)·TM ≤ TPA ≤ (0.8)·TM 범위의 예비-어닐링 온도(TPA)까지 가열하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 방법.
  15. 패턴 구비된 표면을 가진 반도체 웨이퍼를 웨이퍼 표면 또는 웨이퍼 표면하부 온도(TS)와 표면 또는 표면하부 용융 온도(TM)로 어닐링하는 시스템에 있어서,
    상기 패턴 구비된 표면의 일부를 (0.5)·TM ≤ TPA ≤ (0.9)·TM 범위의 예비-어닐링 온도(TPA)까지 가열하도록 구성되고 5 mm 내지 20 mm의 길이(L1)를 가진 긴 방향과 폭(W1)을 가진 좁은 방향을 가지는 예열 라인 이미지를, 상기 패턴 구비된 표면 위에 형성하는 예열 레이저 빔을 형성하는 예열 레이저 시스템; 및
    어닐링 이미지가 상기 예열 라인 이미지의 일부와 중첩하여 주사 중첩영역을 형성하고 100 마이크론 내지 200 마이크론 범위의 길이(L2)를 가진 긴 방향과 10 마이크론 내지 25 마이크론 범위의 폭(W2)을 가진 좁은 방향을 가지도록 상기 어닐링 이미지를, 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위에 형성하는 주사 레이저 빔을 형성하는 어닐링 레이저 시스템;
    을 포함하며,
    상기 주사 중첩영역이 10 ns ≤ τD ≤ 500 ns 범위의 체류시간(τD)을 갖고 상기 웨이퍼 표면 또는 표면하부 온도(TS)를 예비-어닐링 온도(TPA)로부터 상기 주사 중첩영역 내에서 상기 표면 또는 표면하부 용융 온도(TM)까지 국부적으로 상승시키도록, 상기 어닐링 레이저 시스템은 상기 예열 라인 이미지에 대해 상기 어닐링 이미지를 주사하는 주사 광학시스템을 포함하고,
    L2 ≥ 2·W1이고, 상기 길이(L1, L2)는 직교 방향에서 측정되는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 체류시간(τD)은 25 ns ≤τD ≤ 250 ns 범위인, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 주사 레이저 빔이 광 펄스들을 포함하도록, 상기 어닐링 레이저 시스템은 준-연속파(QCW) 방식으로 동작하는 어닐링 레이저를 포함하고,
    상기 주사 중첩영역이 통과하는 상기 반도체 웨이퍼의 표면 위의 각각의 점은 적어도 5개의 광 펄스를 수광하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 QCW 방식은 100 MHz 이상의 주파수를 갖는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 어닐링 레이저 시스템은 최초 레이저 빔을 발생시키는 어닐링 레이저를 포함하고,
    상기 주사 광학시스템은, 상기 최초 레이저 빔을 수광하여 상기 주사 레이저 빔을 형성하는 회전식 다각형 거울을 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 어닐링 레이저 시스템은 변조기 드라이버에 작동 가능하게 연결된 변조기를 포함하며, 상기 변조기는 상기 최초 레이저 빔 내에 정렬되어 상기 어닐링 이미지가 그것의 주사를 완료하는 경우 상기 최초 레이저 빔을 차단하고 상기 어닐링 이미지가 또 다른 주사를 시작하는 경우 상기 최초 레이저 빔을 계속 전달하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 어닐링 레이저는 주파수 배가 크리스탈을 가진 적외선-펌프식 파이버 레이저를 포함하고,
    상기 주사 레이저 빔은 532 nm의 파장을 가진, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 예열 레이저 빔은 적외선 파장을 가진, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  23. 제 15 항에 있어서,
    상기 주사 광학 영역으로부터 열 방출을 측정하는 열 방출 검출기 시스템을 추가로 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  24. 제 15 항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼는 척에 의해 지지되고, 상기 척은 이어서 이동식 웨이퍼 스테이지에 의해 지지되며, 상기 어닐링 이미지는 어닐링 방향으로 주사되고, 상기 이동식 웨이퍼 스테이지는 상기 어닐링 방향과 직교하는 예열 주사 방향으로 상기 예열 라인 이미지를 주사하기 위해 이동하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  25. 제 15 항에 있어서,
    상기 예열 라인 이미지는 상기 반도체 웨이퍼의 표면 또는 표면하부를 (0.6)·TM ≤ TPA ≤ (0.8)·TM 범위의 예비-어닐링 온도(TPA)까지 가열하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
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